应用于无线压力传感器的声表面波反射型延迟线

摘要

本发明涉及一种应用于无线压力传感器的SAW反射型延迟线，包括41°YXLiNbO3压电基片，和在该基片上设置一铝电极的控制电极宽度单相单向换能器，以及三个沿声波传播方向设置的铝电极的短路栅反射器；由叉指换能器通过无线天线接收来自于无线读取单元所发射的电磁波信号，并转换成SAW信号，声波由叉指换能器激发，沿压电基片表面传播，并分别由第一反射器，第二反射器与第三反射器所反射，反射的第一回声波，第二回声波与第三回声波，通过叉指换能器重新转换成电磁波信号，由无线天线传回无线读取单元，并通过信号处理方法以评价时域响应的相位变化来实现对轮胎内压力的检测。该SAW反射型延迟线具有低损耗与高信噪比、高时域反射峰尖锐度的SAW反射型延迟线。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于无线压力传感器中的声表面波(Surface Acoustic wave：SAW)反射型延迟线(以下简称SAW反射型延迟线)，特别是涉及一种具有控制电极宽度单向单相换能器结构与短路栅反射器的SAW反射型波延迟线。

背景技术

基于安全性的理由，汽车轮胎压力监控系统(Tire pressure monitor system：TPMS)将成为目前发展最快的汽车电子应用。近年来，SAW技术开始应用到这种无线TPMS系统之中，相对于其他类型的无线压力传感器，其主要优点是传感器器件本身绝对无源，不需要电池供电，质量与体积小，已开发出来出的实验传感器仅5g左右，可以在高温等恶劣环境下工作。因此SAW模式成为当前TPMS发展的一种重要发展趋势。目前大致有两种SAW器件结构应用于TPMS系统：一种是单端对SAW谐振器模式，通常采用两个单端对SAW谐振器，其基本原理是将一个单端对谐振器置于振动基片上所谓振动膜拉伸区域(一般位于振动膜的中心位置)作为压力检测，而另外一个谐振器则置于压力检测区域之外的振动膜边缘位置，作为对压力检测的温度补偿。由于外围压力环境的变化引起振动膜弯曲变形与表面应用/应变的分布发生改变，导致SAW速度的线性变化，从而引起传感器频率变化，以此实现对外围压力的无线检测，并通过频率差分输出模式来对外围环境温度变化进行补偿。然而，由于SAW谐振器谐振频率的高温灵敏度，系统输出信号将受到射频通道的谐振部分、天线与匹配网络的严重干扰。还有，由于压力检测的谐振器与温度补偿谐振器难以处于同一方位，这样，由于基片表面的热梯度误差不可能完全有效实现温度的补偿效应。目前，一种SAW反射型延迟线结构开始应用于无线压力检测，这种器件通常由一个压电基片，与采用半导体平面工艺制作的一个叉指换能器与沿声波传播方向设置的若干反射器(其反射器数目取决于实际应用)组成。

作为例子，现有技术中所报道的应用于TPMS中的采用SAW反射型延迟线的SAW无线压力传感器如图1a所示(文献1：“H.Scherr et al，“Quartz pressure sensor based on SAWreflective delay line”，in Proc.IEEE Freq.Contr.Symp.，1996，pp.660-664”中所记载)。这种压力传感器由一个SAW反射型延迟线1，封装底座9以及SAW反射型延迟线1与封装底座9由黏合剂8密封形成的具有参考压力的密封腔10。

作为例子，常规结构的应用于TPMS的SAW反射型延迟线1，它由压电基片和沿声波传播方向设置的三个反射器组成，如图1b所示，其中3为压电基片，4为叉指换能器，5，6和7为三个反射器，换能器4与三个反射器之间的距离根据压电基片尺寸大小以及时延要求来确定。

基于这种SAW反射型延迟线结构的无线压力传感器的基本原理是：SAW反射型延迟线1的叉指换能器4通过导电膜2与无线天线11相连，并将无线天线11接收来自读取单元(Reader unit)的电磁波信号转换成SAW信号，并沿压电基片3表面传播，继而声波信号为反射器5，6和7所反射，并通过叉指换能器4重新转换成电磁波信号，通过无线天线11为接收器所接收。这样，将这种SAW压力传感器内置于轮胎之中，胎内压力引起振动膜的弯曲变形导致振动膜表面应变分布变化，从而引起SAW速度的变化，继而导致时域反射信号的时延(相位)变化，这样就可以实现对胎压的实时检测。据报道的原型采用SAW反射型延迟线的压力传感器的压力检测的分辨率达到了1％，如文献2：M.Jungwirth et al，“Micromechanical precision pressure sensor incorporating SAW delayline”，Acta.Mechanica.，Vol.158，2002，pp.227-252所介绍。由于这种SAW压力传感器由单个器件构成，结构简单，又采用如文献3：M.Jungwirth et al，“Micromechanical precisionpressure sensor incorporating SAW delay line”，Acta.Mechanica.，Vol.158，2002，pp.227-252中所描述的差分温度补偿方法，可以是系统不易受到检测环境影响因素的干扰，具有良好的温度稳定性；以相位作为传感器输出信号，具有较高的灵敏度分辨率，且器件本身可以实现绝对无源，因此，这种压力传感器具有良好的应用前景，引起人们极大的兴趣。对于这种SAW压力传感器，其传感元反射型延迟线的设计直接决定了传感器的各种性能指标，这就需要一种低损耗，高信噪比且具有均一陡直尖锐度高的时域反射峰的反射型延迟线。但是目前应用于TPMS压力检测的SAW反射型延迟线由于器件结构上存在如下的问题，阻碍了这种压力检测模式的实用化。

首先，上述常规SAW反射型延迟线1所采用的叉指换能器4是一种双向换能器结构，导致声波双向传播，从而增加了声传播损耗；另外，为了减小由于外围环境温度引起的不稳定性，通常采用具有较低温度系数的石英作为基片材料，然而，石英较小的压电系数使得SAW器件难以实现低损耗与高信噪比。因此，现有技术的SAW反射型延迟线损耗较大(一般都在50～60dB)，信噪比较低，这就严重影响到了压力检测范围以及无线读取距离(无线读取距离与器件损耗呈反比关系，文献4：C.E.Cook，M.Bernfeld：Radarsignals，Norwood，MA，Artech House，1993)。另外，现有技术的反射型延迟线的未能实现陡直尖锐的反射系数S₁₁的时域反射峰，这就不利于时域时延信号的准确提取，从而引起检测信号的较大偏差。

另外，上述应用于压力传感器的常规SAW反射型延迟线1通常采用单指型或者叉指换能器型作为延迟线的反射器。叉指型的反射器具有较大的反射系数，因此可以较好的改善器件损耗与信噪比，但是由于叉指电极指间反射以及声电再生引起较大的时域噪声。单指型的反射器可以降低器件时域噪声，但是较小的反射系数导致器件损耗较大，信噪比低。

此外，由于声波传播衰减，通常延迟线较长的传播路径导致源自各个反射器的反射峰均一性差，离换能器越远，其损耗越大，信噪比越低，直接影响到时域时延信号的提取。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的应用于无线压力传感器中的SAW反射型延迟线所存在的问题；为了实现延迟线具有低损耗、低时域噪声、高信噪比、较高陡直尖锐度的反射峰以及均一时域响应的特点，从而提供一种采用41°YXLiNbO₃压电基片，以铝为叉指电极，采用控制电极宽度/单相单向换能器(EWC/SPUDT)与短路栅反射器结构的SAW反射型延迟线。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的应用于无线压力传感器的声表面波反射型延迟线，如图2a所示，包括：一个压电基片3，一个叉指换能器4与3个反射器；

所述的压电基片3作为振动膜，在所述的压电基片3上沿声波传播方向设置所述的叉指换能器4，和设置第一反射器5，第二反射器6与第三反射器7，以及置于该压电基片3两端的吸声胶15；其特征在于，

所述的压电基片3为一块Y向旋转41°沿X方向传播的铌酸锂(LiNbO₃)基片，其机电耦合系数为17.2％，声传播速度为4750m/s；

所述的叉指换能器4为以铝做电极的控制电极宽度单相单向换能器(EWC/SPUDT)，具体结构如图3a所示；该控制电极宽度单相单向换能器由至少2个以上叉指电极对17，和在2个叉指电极对17之间设置一电极宽度为1/4λ的反射电极16，其中λ：声波波长；所述的反射电极16与所述的叉指电极对17之间的距离为3/16λ，该叉指电极对17由两个1/8λ的电极组成；其中反射电极16的位置取决与基片与反射电极16的材料，例如，用41°YX LiNbO₃压电基片和铝电极，反射电极16置于叉指电极对17的左侧，即与单向辐射声波相反的方向；这种单向单相换能器的基本原理是利用分布的反射电极16反射引起的前向与反向传播的声波相位叠加，有效提升前向声波，而抑制甚至抵消反向声波的传播，这样就可以有效的改善器件损耗，提高反射型延迟线的信噪比性能；

所述的第一反射器5，第二反射器6与第三反射器7为短路栅反射器(具体结构如图3b所示)；其中，所述的短路栅反射器由至少2个1/4波长宽度的电极组成；由EWC/SPUDT4通过无线天线11接收来自于无线读取单元所发射的电磁波信号，并转换成SAW信号，声波由EWC/SPUDT 4激发，沿压电基片3表面传播，并分别由第一反射器5，第二反射器6与第三反射器7所反射，反射的第一回声波12，第二回声波13与第三回声波14通过EWC/SPUDT 4重新转换成电磁波信号，由无线天线11传回无线读取单元，并通过信号处理方法以评价时域响应的相位变化来实现对轮胎内压力的检测。

在上述的技术方案中，所述的第一反射器5与第二反射器6置于压电基片振动膜3的拉伸区域St内，其中第一反射器5位于压电基片3中心位置，第二反射器6则位于压电基片3的拉伸区域St与压缩区域Co交界处；第三反射器7则置于压缩区内，如图2b所示

在上述的技术方案中，所述的反射电极16的位置取决于反射电极16的反射相位，而它则与压电基片3与反射电极16的材料有关；短路金属栅条的反射系数由金属栅条对基片表面的压电短路与力学负载效应引起的，根据文献5：何世堂等，“声表面波低插入损耗滤波器的研制(I)——控制电极宽度单相单向换能器”，第23卷第3期，pp279-283，对于本发明所涉及的具有高压电系数的LiNbO₃基片，金属栅条对基片表面的压电短路效应较为明显，这样其反射系数的相位就由金属膜厚来决定了。另外在本发明中采用铝膜作为电极材料，这样根据上述文献研究表明，在图3a所示的控制电极宽度单相单向换能器结构中获得如图2a中三个反射器方向的声波单向辐射的条件是反射电极16置于叉指电极对17的左侧，即与单向辐射的声波相反的方向。

在上述的技术方案中，EWC/SPUDT 4指对数为10-20，以获得较为陡直尖锐的时域反射峰。

在上述的技术方案中，为补偿声波传播衰减的影响，三个反射器的电极数均按照一定规律设置，即离叉指换能器4最近的第一反射器5具有最少的电极数(例如3个宽度为λ/4的电极)，第二反射器6与第三反射器7比第一反射器5电极数多(例如具有5个宽度为λ/4的电极)，第二反射器6与第三反射器7的电极数相等；

在上述的技术方案中，所述的叉指换能器4与第一反射器5之间的距离为2752.5μm，以此提供区隔环境噪声回波与传感器反射信号约1.2μs的足够时延，第二反射器6与第一反射器5之间的距离为5161.2μm，而第三反射器7与第二反射器6之间的距离为1041μm。

本发明的优点在于：

本发明提供的应用于无线压力传感器的声表面波反射型延迟线，设计了一种控制电极宽度单向单相换能器的结构，它是利用分布的反射电极16反射引起的前向与反向传播的声波相位叠加，有效提升前向声波，而抑制甚至抵消反向声波的传播，这样就可以有效的改善器件损耗，提高反射型延迟线的信噪比性能。

本发明提供的应用于无线压力传感器的声表面波反射型延迟线，设计了一种短路栅反射器的结构，由于该反射器具有较高的反射系数与零声电再生反射，使得SAW反射型延迟线具有良好的信噪比，同时降低反射峰间噪声。

本发明提供的应用于无线压力传感器的声表面波反射型延迟线，具有高压电系数与声传播速度的41°YX LiNbO₃3作为压电基片，具有较高的声波速度(4750m/s)，压电耦合系数(17.2％)。并采用铝电极的EWC/SPUDT与短路栅反射器结构，降低了器件损耗(在本发明中时域S11信号中反射峰损耗约40dB)，改善了传感器的信噪比；通过优化设计SAW反射型延迟线的反射器电极指数、反射器声孔径，传播路径等，获得均一损耗与信噪比的时域反射器反射峰。通过优化的设计配置反射器的位置，以此获得传感器的温度补偿与灵敏度改善。

本发明采用在压电基片3两端涂覆吸声胶15，主要用于消除声波的边缘反射，以降低器件边缘反射引起的时域噪声。

本发明为获得较为陡直尖锐的时域反射峰，采用有限降低EWC/SPUDT 4的指对数(10到20对)，相对于已有技术是一条较为有效的途径。

附图说明

图1a是常规SAW反射型延迟线结构应用TPMS中的无线SAW压力传感器结构示意图

图1b是展示一常规的以铝为电极的SAW反射型延迟线结构示意图

图2a是展示本发明采用的SAW反射型延迟线结构示意图

图2b是展示本发明的SAW反射型延迟线反射器优化配置结构示意图

图3a是展示本发明SAW反射型延迟线所采用的EWC/SPUDT结构示意图

图3b是展示本发明SAW反射型延迟线所采用的短路栅反射器的结构示意图

图4是展示本发明SAW反射型延迟线的结构示意图

图5是展示本发明SAW反射型延迟线的测试时域响应曲线图

图面说明如下：

1.SAW反射型延迟线      2.导电膜          3.压电基片

4.叉指换能器           5.第一反射器      6.第二反射器

7.第三反射器    8.黏合剂         9.封装底座

10.密封腔体     11.无线天线      12.第一回声波

13.第二回声波   14.第三回声波    15.吸声胶

16.反射电极     17.叉指电极对

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

参考图2a，制作一具有控制电极宽度/单相单向换能器(EWC/SPUDT)与短路栅反射器的应用于无线压力传感器的声表面波反射型延迟线；该延迟线形状大小为16mm×6mm×350μm。本实施例的压电基片3采用沿Y向旋转41°，X方向传播的铌酸理(LiNbO₃)基片作为振动膜；其压电基片3的尺寸为(a×b，a：6mm，b：16mm)，即长16mm，宽6mm，厚度为350μm的41°YXLiNbO₃；该压电基片具有较高的声波速度(4750m/s)，压电耦合系数(17.2％)。如图2b中所示，振动膜表面存在着两种不同区域，即拉伸区域(St)与压缩区域(Co)，在拉伸区域即振动膜的中心区域，声波速度降低，而压缩区域位于振动膜的边缘，声波速度升高。在压电基片3上，沿声波传播方向设置叉指换能器4和3个反射器，以及在基片两端涂覆吸声胶15。

参考图3a，本实施例的叉指换能器4为以铝做电极的控制电极宽度单相单向换能器(EWC/SPUDT)，其中叉指电极对17和反射电极16均由铝膜制作；该单相单向换能器由5个叉指电极对17，和在5个叉指电极对17之间设置的6个电极宽度为1/4λ的反射电极16组成，当然叉指电极对17还可以是10-20之间的任何数；反射电极16与叉指电极对17(由两个1/8λ的电极组成)之间的距离为3/16λ。反射电极16的位置决定于压电基片3以及叉指换能器4的电极材料。在本发明实施例中采用41°YXLiNbO₃基片与铝电极材料，图3a所示的控制电极宽度单相单向换能器获得如图2a中三个反射器方向的声波单向辐射的条件是反射电极16置于叉指电极对17的左侧，即与单向辐射的声波相反的方向。

第一反射器5，第二反射器6与第三反射器7为短路栅反射器(具体结构如图3b所示)，由最小为2个1/4波长宽度的电极组成；第一反射器5与第二反射器6置于压电基片振动膜3的拉伸区域St内，其中第一反射器5位于压电基片3中心位置，第二反射器6则位于压电基片3的拉伸区域St与压缩区域Co交界处；第三反射器7则置于压缩区内，如图2b所示。由于其具有较高的反射系数与零声电再生反射，使得SAW反射型延迟线具有良好的信噪比，同时反射峰间噪声低。

本实施例的声表面波反射型延迟线的无线压力传感器的基本结构是：在压电基片3之上制作的一个EWC/SPUDT4与第一反射器5，第二反射器6与第三反射器7，该3个反射器均为短路栅反射器，由EWC/SPUDT 4通过无线天线11接收来自于无线读取单元所发射的电磁波信号，并转换成声表面波信号，在压电基片3表面沿三个反射器方向传播并分别由3反射器所反射，反射的第一回声波12，第二回声波13与第三回声波14通过EWC/SPUDT4重新转换成电磁波信号，由无线天线11传回无线读取单元，并通过信号处理方法(这是本技术领域技术人员可以胜任的)，以评价时域响应的相位变化来实现对轮胎内压力的检测。

本实施例中的第一反射器5，第二反射器6与第三反射器7，在压电基片3表面的位置可以通过如下方法予以优化配置：一般而言，压电基片振动膜3在压力状态下存在着拉伸St与压缩区域Co，如图2b所示，在拉伸区域St声波速度降低，而压缩区域Co声波速度则升高，这样表现在时域响应的时延/相位变化上出现不同极性。这样可以通过优化配置反射器位置来获得温度补偿与灵敏度性能改善，即第一反射器5与6置于压电基片振动膜3的拉伸区域St内，其中反射器5位于压电基片3中心位置，反射器6则位于压电基片3的拉伸区域St与压缩区域Co交界处；反射器7则置于压缩区内。通过如式ΔФ＝ΔФ_2-1-w×ΔФ_3-2所示的差分方法(文献3：M.Jungwirth et al，“Micromechanical precisionpressure sensor incorporating SAW delay line”，Acta.Mechanica.，Vol.158，2002，pp.227-252)，即可有效改善传感器的灵敏度性能并实现温度补偿效应，其中，ΔФ为传感器压力检测的相位响应，ΔФ_2-1为第一反射器5与第二反射器6之间的相位变化，ΔФ_3-2为第二反射器反射器6与第三反射器7之间的相位变化，w为加权因子，由反射器之间的距离确定，w＝l₂/l₃，其中，l₂为第一反射器反射器5与第二反射器6之间的距离，而l3为第二反射器反射器6与第三反射器7之间的距离。为精确确定反射器的位置即分析确压电基片振动膜3的拉伸St与压缩Co区域，有限元分析软件Ansys 8.0来用于计算压力状态下振动膜的弯曲以及表面沿声波传播方向应变的分布状况以确定振动膜压缩Co与拉伸St区域，以此计算其相应相位响应。图2b中显示了基于有限元分析软件对应用于无线压力传感器的声表面波反射型延迟线的压力状态(300kPa)下的相对相位响应特性。41°YX LiNbO₃即压电基片振动膜3，具有较高的声波速度(4750m/s)，压电耦合系数(17.2％)。如图2中所示，振动膜表面存在着两种不同区域，即拉伸区域(St)与压缩区域(Co)，在拉伸区域即振动膜的中心区域，声波速度降低，而压缩区域位于振动膜的边缘，声波速度升高。再根据上述配置方法对SAW反射型延迟线的三个反射器进行位置的确定。为获得更好的灵敏度与温度补偿特性，第一反射器5置于压电基片振动膜3的拉伸区域St即振动膜的中心位置，第二反射器6则置于拉伸与压缩区域的交界位置，而第三反射器7置于压电基片振动膜3的压缩区域。

图3a与图3b分别为本实施例的SAW反射型延迟线所采用的EWC/SPUDT4与短路栅反射器的结构图；图3a所示的EWC/SPUDT4包含6个叉指电极对17与5个分布在叉指电极对之中设置的宽度为λ/4的反射电极16；其中，反射电极16与叉指电极对17之间的距离为3λ/16，叉指电极对17包含两个宽度与距离为λ/8的电极。在本实施例中叉指电极对17为15对，反射电极16为14个。图3b中所示的短路栅反射器由两个，或者3～10个之间的宽度为λ/4的电极短路而成，两个电极之间的距离相距λ/4。另外，由于声波的传播衰减影响，为保持均一的时域响应，三个反射器的电极结构需要一定的优化设计，以补偿由于声传播衰减引起的时域损耗，即离EWC/SPUDT最近的第一反射器5具有最少的电极数，即本实施例中为3个，但不限于此还可以5、、9个等，第二反射器6与第三反射器7则比第一短路栅反射器10的电极数多，即本实施例中为5个。

在本实施例中，为获得较为陡直尖锐的时域反射峰，EWC/SPUDT 9指对数为15，即包含如图3a所示的15个叉指电极对17与分布于电极对之间的14个反射电极16。

另外，在本实施例中，为补偿声波传播衰减的影响，三个反射器电极数均按照一定规律设置，即离第一反射器5具有3个宽度为λ/4的电极，第二与第三反射器6与7具有5个宽度为λ/4的电极。EWC/SPUDT3与第一反射器5之间的距离为2752.5μm，以此提供区隔环境噪声回波与传感器反射信号约1.2μs的足够时延，第二反射器6与第一反射器5之间的距离为5161.2μm，而第三反射器7与第二反射器6之间的距离为1041μm。

吸声胶15涂覆于压电基片3两端，主要用于消除声波的边缘反射，以降低器件边缘反射引起的时域噪声。

本发明的另一具体实施例中应用于无线压力传感器的具有EWC/SPUDT与短路栅反射器的SAW反射型延迟线的具体结构如图4所示，图4中的相关结构参数如下：

SAW反射型延迟线的工作频率：434MHz；声波波长：10.9μm；

a＝压电基片3(41°YX LiNbO₃)作为振动膜的宽度：6mm

b＝压电基片3(41°YX LiNbO₃)作为振动膜的长度：16mm

A＝EWC/SPUDT 4的长度：15×λ＝163.5μm；

B1＝第一反射器5的长度：5×(1/4λ)＝13.6μm；

B2＝第二反射器6的长度：9×(1/4λ)＝24.5μm；

B3＝第三反射器7的长度：9×(1/4λ)＝24.5μm；

C＝EWC/SPUDT 4的声孔径：110×λ＝1199μm；

D＝3个反射器的声孔径相等，声孔径：125×λ＝1362.5μm；

E＝3个反射器的汇流条宽度相等，并汇流条宽度等于：30μm；

l₁＝第一反射器5与EWC/SPUDT 4间的距离：2752.5μm；

l₂＝第二反射器6与第一反射器5间的距离：5161.2μm；

l₃＝第三反射器7与第二反射器6间的距离：1041.4μm；

通过这一EWC/SPUDT与3个反射器设计，声表面波反射型延迟线将获得低损耗、高信噪比、较高陡直尖锐度的时域反射峰以及均一时域响应等特点，如图5所示。图5示出了从HP8510网络分析仪中观察到的本发明实施例的434MHz SAW反射型延迟线的典型时域反射系数S₁₁的响应曲线。3个反射峰来自于SAW反射型延迟线的3个反射器，具有较为均一的损耗与信噪比性能，其对应时延分别为：1.18，3.53和3.76μs，对应损耗分别为41，44与41dB。从上述检测结果来看，实现了较低损耗，良好的信噪比，较为尖锐反射峰，较低的峰间噪声以及均一的时域响应特性。